Elektrik-Elektronik Mühendisliği için Malzeme Bilgisi Bölüm VII: Yarıiletkenler

Bölüm VII: Yarıiletkenler Germanyumun kimyasal yapısı Silisyum kimyasal yapısı Yarıiletken Yapım Teknikleri n Tipi Yarıiletkenin Meydana Gelişi p Tipi Yarıiletkenin Meydana Gelişi Yarıiletkenlerde Akım Akışı Yarıiletken Malzemelerin Üretimleri

Enerji-Band Diyagramları

Yarıiletkenler Yarıiletkenler: Elektrik akımını bir değere kadar akmasına izin vermeyen bu değerden sonra sonsuz küçük direnç gösteren maddelerdir. Yarı iletkenler periyodik cetvelde 3-5. gruba girerler. İletkenlik bakımından iletkenler ile yalıtkanlar arasında yer alırlar. Normal halde yalıtkandırlar. Ancak ısı, ışık ve magnetik etki altında bırakıldığında veya gerilim uygulandığında bir miktar valans elektronu serbest hale geçer, yani iletkenlik özelliği kazanır.

Yarıiletkenler Bu şekilde iletkenlik özelliği kazanması geçici olup, dış etki kalkınca elektronlar tekrar atomlarına dönerler. Basit eleman halinde bulunduğu gibi laboratuarda bileşik eleman halinde de elde edilir. Yarı iletkenler kristal yapıya sahiptirler. Yani atomları kübik kafes sistemi denilen belirli bir düzende sıralanmıştır. Bu tür yarı iletkenler içlerine bazı özel maddeler katılarak da iletkenlikleri arttırılmaktadır.

Yarıiletkenler Elektronikte yararlanılan yarı iletkenler ve kullanılma yerleri Adı Kullanım Yeri Germanyum (Ge) (Basit) Diyot, transistör, entegre devre Silikon (Si) (Basit) Selenyum (Se) (Basit) Diyot Bakır oksit (kuproksit) (CuO) (Bileşik) Galliyum Arsenic (Ga As) (Bileşik) Tünel diyot, laser, fotodiyot, led Indiyum Fosfor (In P) (Bileşik) Diyot, transistör Kurşun Sülfür (Pb S) (Bileşik) Güneş pili (Fotosel)

Germanyum Yarımetalik, yani metal ile ametaller arasında özellikler gösterir. Periyodik cetvelde 4. gruptadır. Atom numarası 32’dir. YMK yapıya sahiptir.

Germanyum Germanyum nadir elementlerden olup, yer kabuğunda % 0,0004-0,0007 oranında bulunur. Yer kabuğunda yoğun olarak bulunmadığından, germanyumun elde edilmesi oldukça zordur. Hiçbir zaman serbest halde bulunmaz.

Silisyum (Silikon) Silisyum, yeryüzünde en çok bulunan elementlerden biridir. Atom numarası 14'tür. "Si" simgesi ile gösterilmektedir. Camın ana maddesi kum olarak bilinir. Silisyum kumda çok bulunmaktadır.

Silisyum Kovalent Bağ Yapısı

Silisyum ve Germanyum

Galyum ve Arsenik

GaAs Kovalent Bağ Yapısı

Elektronlar ve Oyuklar Silisyum gibi katkısız bir yarıiletken içerisinde uyarılmış bazı elektronlar, bant değiştirerek iletim bandına girerler ve böylece akım oluşturabilirler. Silisyum içerisindeki bir elektron band aralığından karşıya geçtiğinde yörünge içerisinde bir boşluk (oyuk) bırakırlar.

Elektronlar ve Oyuklar Harici bir voltaj etkisi altında malzeme içerisinde elektronlar ve oyuklar hareket edebilir. N-tipi yarıiletkende katkı maddesi ekstra elektron sağlayarak iletkenliği artırır. P-tipi yarıiletkende ise katkı maddesi ekstra oyuklar oluşturarak iletkenliği artırır.

N-Tipi Yarıiletkenin Meydana Gelişi Germanyum (Ge) (4e) Arsenik (Ar) (5e) veya Antimon (Sb) (5e) katkılanırsa, 4’er elektron kovalent bağ yapar. 1 elektron da boşta (serbest) kalır. Dış etki uygulanırsa bir elektron akışı meydana gelir.

N-Tipi Yarıiletkenin Meydana Gelişi N-tipi yarıiletken yapıda, yapıya katılan ve elektron vererek pozitif yüklenen katkılama atomları “Donör İyonları” olarak tanımlanır. N-tipi yarıiletkende çoğunluk taşıyıcılar elektronlardır. N-tipi yapı içerisinde az miktarda oyuklar da mevcut olabilir. N-tipi malzeme içerisinde oyuklara azınlık taşıyıcıları adı verilmektedir.

N-Tipi Yarıiletken İçerisinde Elektron Akışı Kristale bir gerilim uygulandığında içindeki serbest hale elektronlar, bataryanın negatif kutbu tarafından itilirler ve pozitif kutup tarafından çekilerek kaynağın (-) kutbundan (+) kutbuna doğru sürekli bir elektron akışı meydana getirirler. Ancak akım yönünün ise (+)’dan (-)’ye doğru olduğu kabul edilir.

P-Tipi Yarıiletkenin Meydana Gelişi Germanyum (Ge) (4e) Indium (ln) (3e) katkılanırsa, Indium atomu komşu Germanyum atomundan 1 elektron alır ve aralarında kovalent bağ oluşur. 1 elektron kaybeden Germanyum atomunda bir elektron boşluğu (oyuk) oluşur. Bu maddeye P-tipi madde denir.

P-Tipi Yarıiletkenin Meydana Gelişi P-tipi yarıiletken yapıda, yapıya katılan ve elektron alan katkılama atomları “Akseptör İyonları” olarak tanımlanır. P-tipi maddelerde çoğunluk akım taşıyıcısı oyuklardır. Aynı zamanda bu yapı içerisinde az da olsa serbest elektron bulunur. Bunlara da azınlık taşıyıcıları adı verilir.

P-Tipi Yarıiletken İçerisinde Elektron Akışı Pozitif elektrik yüklü oyuklardır. P-tipi madde içerisinde bataryanın pozitif ucundan negatif ucuna doğru, elektronlar ise negatif kutuptan pozitif kutba doğru itilirler. Aslında oyuklar hareket etmemektedir. Oyuklarla elektronlar yer değiştirmektedir.

Yarıiletken Malzemelerin Üretimleri Germanyum ve Silisyum hammaddeleri tabiatta saf halde bulunmadıkları için öncelikle saflaştırma işlemlerine tâbi tutulurlar. Saflaştırma işlemi için hammaddeler ilk önce bir dizi kimyasal reaksiyon ve bölgesel arıtma işlemine tâbi tutulurlar. Germanyum ve silisyumun saflaştırma işlemleri farklıdır.

Germanyumun Elde Edilmesi Germanyum gümüş grisi bir geçiş elementidir. Germanyum yerküre kabuğunun yüzde 0.0004 ile 0.0007’sini oluşturur. Arygyrodite Germanite ve Renierte gibi yaygın olmayan minerallerde bulunur. Germanyumun yarıiletken olarak kullanılabilmesi için öncelikle içindeki yabancı madde oranının 1/100.000.000’un altına düşürülmesi gerekmektedir. Bunun için bölgesel saflaştırma işlemi yapılır.

Germanyumun Saflaştırılması Germanyumun saflaştırılmasında en çok uygulanan yöntem "Bölgesel saflaştırma”dır. Çubuk şekline getirilmiş, yaklaşık 100 gram ağırlığındaki germanyum görüldüğü gibi özel bir pota içerisine konularak, saatte 5-6 cm 'lik hızla, endüksiyon yolu ile ısıtılan bir fırının içerisinden geçirilir. Isıtıcı sistem, germanyumun erime derecesi olan 936°C 'ye ayarlanmıştır. Isıtıcı bobinin altında eriyen katı yavaşça soğur, saf kristal ayrışır ve yabancı maddeleri erimiş bölgede bırakır. Saf olmayan Germanyum çubuk Saflaştırılmış Germanyum çubuk

Germanyumun Saflaştırılması Bu işlem yeniden kristalize edilen katının saflığı istenen düzeye gelene kadar tekrarlanabilir. Yüzde 99.9999 oranına kadar saflık elde etmek mümkündür. Bu halde Germanyum henüz polikristaldir ve yarıiletken devre elemanı yapımında kullanılabilmesi için monokristal yapı şeklinde getirilmesi gerekmektedir.

Monokristal-Polikristal

Germanyumun Monokristalizasyonu Polikristal yapılı Germanyum bir hazne içerisine yerleştirilerek erime derecesine kadar ısıtılır. Erimiş Germanyum içerisine tohum kristal halindeki Germanyum çubuk yardımıyla daldırılıp yavaş yavaş döndürülerek yukarı doğru çekilir. Sonuçta monokristal yapıya sahip bir germanyum kitlesi elde edilmiş olur. Ge Ge

Silisyumun Elde Edilmesi Ödev: Silisyumun saflaştırılması ve monokristalizasyonu konusunu inceleyiniz.